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前言

目前電能作為一種使用最為廣泛的能源，其電能質量已經成為供用雙方共同關注的問題。為了保障電能的質量、改善和提高其供電水平，一方面人們采取各種技術措施抑制電能質量的惡化或進行負荷的調整和電網的改造；另一方面，人們在電力系統的特殊點處裝設電能質量檢測設備來檢測電能質量的各個參數。后一種方法隨著微處理技術的發展特別是近年來隨著數字信號處理技術和網絡技術的發展及應用已經成為一大熱點。

如今，隨著計算機和數字處理技術、微電子技術、電力電子技術、計算機通信和網絡等技術的融合發展，用于電能質量的監測技術必然會走上設備智能化、電網自動化技術、計算機監控網絡技術和在線監測相結合的道路。可以這樣講，實現電能質量監測設備的數字化。網絡化、智能化和集成化是當前和今后發展的熱點和重點。

在現實生活中，隨著通信技術的快速發展變電所實現光纖通信#給電能質量監測網提供了良好的網絡通信基礎。因此，人們完全可以利用少數幾根低價，（如兩線制）電纜連接各分布節點使接線的成本顯著下降，且方便了安裝和維護監測雖然仍在被測信號源節點進行，但通信網絡中傳送的數據是數字信號而不是模擬信號，這樣基本上不存在噪音干擾問題。同時，在網絡中可以通過WEB技術、分層、分級、分權限地對電網的電能質量進行分析和管理。各監測點通過定時或召喚的方式將數據上傳到WEB服務器，通過設定不同的權限，從而使不同的人員訪問不同的數據，了解目前電網的電能質量指標。甚至可以把某些指標上傳至Internet網，向外界公開。

GPRS是基于現有的GSM網絡實現的，需要在現有的GSM網絡中增加一些節點:網關GPRS支持節點GGSN(GatewayGPRSSupportingNode)、服務GPRS支持節點SGSN(ServingGPRSSupportingNode)。使得用戶能夠在端到端分組方式下發送和接收數據。GPRS具有覆蓋面廣、組網方便、成本低(可以利用現有的網絡，按流量計費)等優點。

1 系統構成特點

本系統采用先進的GPRS無線通信技術、計算機控制技術、數據采集技術、數據庫技術于一體，構建了一種基于GPRS無線遠程監測系統平臺系統分為監控中心和遠程監控分站兩個部分:監控中心主要由監控中心站服務器、企業內部局域網、數據庫服務器等設備組成；監控分站主要由MSP430F149單片機及外圍電路(液晶顯示、鍵盤功能、A/D轉換)和GPRS無線通信模塊(G20)組成。監控中心站與監控分站之間通過GPRS網絡實現無線遠程通信,實現了基于GPRS網絡的遠程監控。系統結構圖如圖1所示。

圖1 電力監測系統結構圖

監控中心服務器基本功能:

(1)實時接收遠程監控分站采集的數據并分類保存；

(2)對遠程監控分站進行監控，對各分站的緊急報警進行處理，對各分站進行各項設置；

(3)管理數據庫，并能夠實時顯示各監控分站的情況，打印和備份數據。

企業內部局域網主要構造了一個企業內部通信網絡,可以根據各個部門所賦予的不同權限在企業內部局域網客戶端進行對監控中心服務器的訪問，在企業內部隨時隨地的瀏覽或者查詢我們所需要的數據，并且可以根據所在權限發出一些相應的控制指令。數據庫服務器提供了一個強大的數據存儲數據庫，可以不斷的接收和存儲來自監控分站采集上來的數據。數據庫服務器，另一個很大的作用就是可以讓我們隨時查詢存儲在服務器上的數據，對數據進行分類匯總等，為對電網的控制提供依據。

2 硬件設計

電能質量監測儀硬件系統功能框圖如圖2所示。電能質量監測儀在運行過程中需要快速處理大量數據，定點型DSP處理數據時要時刻關注溢出的發生，它會耗費程序空間與執行時間，因此選用浮點型DSPTMS320C6713。

圖2 電能質量監測儀的功能框圖

在測量過程中，特別是在閃的測量過程中，大量的數據需要臨時存儲，因此系統擴展了一片SDRAM存儲器。另外，為了方便與PC機通信，裝置配備了以太網、USB等接口。系統還設計了一個可編程邏輯器件XC95144實現IO口擴展、地址譯碼、接口及時序匹配、輸入輸出信號緩沖等功能。

考慮現場測量時的接線形式既有三相三線、又有三相四線以及單線等，本分析儀數據采集部分設計為八通道輸入，即可以滿足Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc、U08個回路同時輸入。為降低造價，采用多路開關+ADC的結構。ADC選用了兩片AD7665。AD7665是低功耗16位逐次逼近型ADC，其采樣速率最高可達570kHz，滿足每路信號需分析出50次諧波而不發生頻率混迭所要求的6.4kHz×4=25.6kHz。

N點DFT是在頻率區間[0，2π]上對信號的頻譜進行N點等間隔采樣，而采樣點之間的頻譜函數值是不知道的。這就好像從（N＋1）個柵欄縫隙中觀看信號的頻譜情況，僅得到N個縫隙中看到的頻譜函數值。這種現象稱為柵欄效應。在非同步采樣時，由于實際信號的各次諧波分量并不能正好落在頻率分辨點上，而是落在某2個頻率分辨點之間，因此通過DFT并不能直接得到各次諧波分量的準確值，而只能以臨近的頻率分辨點的值來近似代替，因而產生了柵欄效應。由于柵欄效應，在進行諧波分析時有可能漏掉（擋住）大的頻率分量。本分析儀通過硬件測頻，跟蹤電網頻率，達到準同步采樣；此外電網頻率也是電能質量的一項指標，同時達到測量頻率指標的效果。

測頻電路如圖3所示，通過施密特觸發器將正弦的電壓信號轉換為矩形信號，在每次信號由負變為正時觸發DSP定時器計時，從而得到信號的頻率。

圖3 測頻電路

3 系統工作原理

監控分站對現場的交流電壓電流等信號進行采集、處理并在LCD上實時顯示測試結果,工作過程中可通過鍵盤對有關的工作參數進行設置和修改，然后通過GPRS模塊來完成和監控中心的通信。當監控分站啟動后，測控系統就按照預先制定的軟硬件流程工作，同時將GPRS模塊登陸到GPRS網絡中，并和擁有固定IP地址的監控中心連接，在系統的運行過程中，始終保持這一連接不斷開，一旦斷開必須重新建立連接，保證GPRS模塊“永遠在線”。當要進行現場操作時，可以利用鍵盤和LCD對內存中的相關參數進行測試和必要的修改。監控中心以固定IP的形式接入到Internet網絡，然后通過GPRS網關連接到GPRS網絡中，從而實現與監控分站的通信。之后就可以對各個監控分站進行集中的遠程管理和監視。并可監控中心對系統運行中的各種數據進行收集、處理和存儲，從而對整個系統的運行狀況做到全方位的監控。

在本系統中，監控分站主要完成以下功能:

(1)實時采集現場電網的電壓和電流信號，對信號進行處理，并把采集的數據上傳到監控中心。

(2)完成對LCD的輸出顯示和鍵盤的輸入命令及監控中心的控制命令的執行。

(3)與監控中心的通信。

在本系統中下位機和監控中心的通信是基于GPRS無線數據傳輸技術的，GPRS模塊選用的MOTOROLA公司的G20模塊。G20具有適應環境的能力比較強，供電電壓范圍比較寬，電流消耗比較小等特點；它內嵌TCP/IP協議棧，大大簡化了通訊的難度，開發者不需要自己實現TCP的打包過程。監控分站硬件結構如圖4所示。

圖4 監控分站硬件結構圖

4 仿真分析

本系統軟件采用模塊化結構設計，將每個功能模塊設計為獨立的程序塊，這樣不僅便于程序的調試，而且有利于實現功能擴展和程序的修改和移植。系統軟件主要由系統初始化模塊、系統I/O口設置模塊、人機外設驅動管理模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和通信程序六個模塊組成。

本儀器采用IEC的閃變測量方法，其測試原理如圖5所示，框二到框四是對燈—眼—腦環節的模擬。框二模擬燈的作用，用平方檢測方法從工頻電壓波動中解調出反映電壓波動的調幅波；框三模擬人眼的頻率選擇特性；框四模擬人腦神經對視覺反映的非線性和記憶效應。

圖5 IEC閃變測試原理框圖

閃變測量原理框三中的帶通濾波器是由35Hz的低通濾波器和0.05Hz的高通濾波器組成，傳遞函數如下：

0.05Hz的高通濾波器的傳遞函數為：

式中，ω=2π×0.05rad/s。

框二中的平方運算產生很大的直流分量，使0.05Hz的高通濾波的結果很長時間才能收斂，如圖6所示。需要在0.05Hz高通濾波器之前濾去大部分直流分量，這里對高通濾波前的信號補償負的直流分量，直流大小為電網電壓有效值的平方，直流補償后效果如圖7所示。

圖6 含大量直流分量時高通濾波器的收斂時間

圖7 去直流后高通濾波器的收斂時間

人眼對不同頻率的電壓波動敏感度是不一樣的，引入視感度系數K（f），IEC推薦的視感度系數為K(f)=產生同樣視感度的8.8Hz正弦電壓波動ΔV/產生同樣視感度的f正弦電壓波動ΔV。IEC推薦的視感度加權濾波器的傳遞函數是：

圖8 加權濾波器對K(f)的逼近

圖8可以看出在低頻端誤差較大，所以對IEC推薦的加權濾波器進行修正，將k改為2.08，

ω3為2π×1.02，ω4=2π×23，此處修正并未改變典型環節的個數，只是修正了傳遞函數的轉折頻率，修正后的傳遞函數的bode圖如圖9所示。

圖9 修正后加權濾波器對K(f)的逼近

在仿真實驗中發現閃變測量離散化過程中，采樣頻率的提高并不能顯著提高瞬時視感度的精度，而且計算量會顯著增大。為了使AD不重復采樣，閃變計算中利用前面諧波分析時的采樣值，閃變計算中采樣頻率選定為640Hz，即AD采樣頻率的10%，只需要對AD采樣值每間隔9個取一個。